王海明，趙平偉，張薇薇

(1. 上海城投原水有限公司，上海 200125；2. 上海城投水務(wù)集團(tuán)有限公司，上海 200002)

21世紀(jì)以來，國(guó)家更是重視水利工程的建設(shè)，水利工程高速發(fā)展。水閘作為重要水利工程之一，通過開閉閘門實(shí)現(xiàn)引水、攔水、泄洪、排水等重要功能[1-3]。

當(dāng)今社會(huì)，計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)高速發(fā)展，社會(huì)的方方面面都趨向智能化、自動(dòng)化，在這樣的大趨勢(shì)下，勢(shì)必要采用新技術(shù)、新設(shè)備對(duì)整個(gè)水庫的閘門控制設(shè)備與管理進(jìn)行現(xiàn)代化改造，推動(dòng)水庫的智能化建設(shè)。由于智能系統(tǒng)在水利工程的發(fā)展較快，各個(gè)國(guó)家的發(fā)展也不平衡，現(xiàn)在還缺乏關(guān)于水利工程實(shí)現(xiàn)智能化系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)資料。就國(guó)家而言，美國(guó)、法國(guó)和日本走在世界前列，比較典型的有美國(guó)的大古力水電站和日本的玉原抽水蓄能電站。水庫閘門智能化控制系統(tǒng)的建立，不但能提高水庫信息采集的準(zhǔn)確性和閘門控制的靈活性、快速性，而且可以進(jìn)一步挖掘水庫的潛力，提升水庫運(yùn)行的可靠性和安全性，更好發(fā)揮水庫運(yùn)行的效益，同時(shí)，為上級(jí)部門制定防洪抗旱調(diào)度方案提供科學(xué)依據(jù)[4]。

本文中研究的某水庫取水閘總凈寬為28 m，中孔為通航孔，凈寬為14 m，可通航通行疏浚船舶，兩側(cè)邊孔各7 m。目前正常情況下，水庫早上8點(diǎn)左右開閘，邊孔閘和中孔閘交替開放，閘門開度約為1.5 m,閘門開啟時(shí)水位差在1 m以內(nèi)；晚上10點(diǎn)左右關(guān)閘，關(guān)閘時(shí)庫內(nèi)水位基本和庫外保持一致，閘門進(jìn)水約13～14 h，水位最低在1.9～2.1 m，最高在2.9 m左右。水庫的最高水位受來水河流水位的影響，來水河流水位又受太湖水位、閘門下泄流量、潮汐、降雨量等多種因素的影響，且來水河流過往船只較多，來水河流水閘啟閉變化頻繁。在枯水時(shí)期，來水河流的最高水位會(huì)降低至2.6 m左右，最低水位會(huì)降至2.3 m左右，此時(shí)水庫進(jìn)水時(shí)間要更長(zhǎng)。

換水周期，即水資源的傳遞更新速率，是湖泊水環(huán)境的一個(gè)重要參數(shù)，影響著水體中污染物與營(yíng)養(yǎng)物的濃度與停留時(shí)間，同時(shí)，還會(huì)對(duì)水體中發(fā)生的生物與化學(xué)反應(yīng)過程時(shí)間長(zhǎng)短造成巨大的影響[5]。換水周期的長(zhǎng)短對(duì)于改善庫區(qū)的水質(zhì)，防止藻類大規(guī)模暴發(fā)，充分挖掘水庫生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力，保障整個(gè)水源地的供水安全十分重要。

由于水庫方不能提供水閘閘門流速，以及水庫庫容曲線精度不高，故本文結(jié)合數(shù)據(jù)融合的方法軟測(cè)量得到水庫水量變化方程中的關(guān)鍵變量，閘門流速液位差變化函數(shù)曲線與庫容變化函數(shù)曲線。根據(jù)擬合得到的參數(shù)與相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建水庫水量平衡系統(tǒng)模塊，用于計(jì)算生成優(yōu)化調(diào)度指令。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示，通過結(jié)合水庫的歷史來水流量、庫內(nèi)水位、庫內(nèi)水質(zhì)、應(yīng)急事件、庫內(nèi)水位等約束條件建立數(shù)據(jù)融合的模型來生成調(diào)度指令，并結(jié)合歷史調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，生成調(diào)度信息。

圖1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案總圖Fig.1 Diagram of System Implementation Scheme

本文中數(shù)據(jù)融合方法的原始數(shù)據(jù)來自于各傳感器的獨(dú)立觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過融合產(chǎn)生表示整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的綜合數(shù)據(jù)，發(fā)揮多個(gè)傳感器的聯(lián)合優(yōu)勢(shì)，提高傳感器系統(tǒng)的有效性和魯棒性，消除單一傳感器的局限性[6]。對(duì)于本項(xiàng)目，融合水庫容量、流量、水位等傳感器數(shù)據(jù)得到當(dāng)前水庫的綜合信息，提出了水庫水量平衡模型及水量變化公式，分別求出水庫庫容曲線和閘門水位差流速曲線，用于水量平衡模型關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算。最后,將水庫信息、調(diào)度信息、故障信息、約束條件等信息再次融合，通過時(shí)間序列分析與回歸分析[7-10]等方法得到閘門調(diào)度指令。

2 水庫水量變化規(guī)律

結(jié)合數(shù)據(jù)融合的方法軟測(cè)量得到水庫水量變化方程中的關(guān)鍵變量，閘門流速液位差變化函數(shù)曲線與庫容變化函數(shù)曲線。根據(jù)擬合得到的參數(shù)與相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建水庫水量平衡系統(tǒng)模塊，用于計(jì)算生成優(yōu)化調(diào)度指令。

2.1 數(shù)據(jù)來源

所有的數(shù)據(jù)來源于本文研究水庫的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以分鐘為單位，共調(diào)取2017年11月23日—2018年11月22日一年的3個(gè)閘門6個(gè)開度信息，6個(gè)液位計(jì)的液位，閘門過水流量，多項(xiàng)故障記錄以及多種污染物等信息。為了便于之后的分析，先對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

3個(gè)閘門開度分別都有左中右開度，代表閘門開啟時(shí)相應(yīng)閘門距離的高度，以其平均值作為閘門開度的代表K1、K2、K3，又由于3個(gè)閘門的寬度并不完全相等，以K1d1、K2d2、K3d3作為閘門開啟的進(jìn)水截面積，則閘門進(jìn)水總截面積S1如式(1)。

S1=K1d1+K2d2+K3d3

(1)

若閘門進(jìn)水流速為v，閘門進(jìn)水流量如式(2)。

J=(K1d1+K2d2+K3d3)v

(2)

其中：J——水庫取水閘進(jìn)水流量,m3/s；

K1、K2、K3——3個(gè)閘門的開度,m；

v—取水閘進(jìn)水流速,m/s。

2.2 水量變化公式擬合

將水庫看作一個(gè)封閉的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，對(duì)水庫而言，入庫的水只有通過取水閘門流入的部分和來自降雨的部分，出庫的水只有通過供水總管流出的部分和自然蒸發(fā)的部分，水庫里的水量等于水庫面積乘以液位高度。因此，它們之間滿足基本關(guān)系：水量變化=進(jìn)水量J-出水量G+其他因素(降雨，蒸發(fā)等)，如式(3)。

(3)

其中：S2——水庫表面積,m3；

Δh——水庫液位變化量,m;

G——水庫出水流量,m3/s；

other——其他影響因素。

其中，蒸發(fā)量與降雨量的作用影響可忽略不計(jì)，故公式可簡(jiǎn)化為式(4)。

(4)

其中v與S2均為未知量，這里選取1月15日—1月20日的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步計(jì)算，因?yàn)橛?個(gè)未知數(shù)，首先排除v的影響，則僅考慮關(guān)閘時(shí)段的數(shù)據(jù)。為了排除S2的影響，令Δh為0，則選取同一水庫液位的若干數(shù)據(jù)。經(jīng)過擬合得到dv、S2，使用得到的參數(shù)計(jì)算進(jìn)水量和水庫水量，對(duì)比出水流量如圖2所示。此處的進(jìn)水流量和出水流量均反應(yīng)實(shí)時(shí)的進(jìn)出水速度，水庫水量并不對(duì)應(yīng)左側(cè)y軸的數(shù)值，僅反應(yīng)其水量的多少。

由圖2可知，在進(jìn)水流量大于出水流量時(shí)，水庫水量增加；而在進(jìn)水流量小于出水流量時(shí)，水庫水量減少。同時(shí)，在前兩日進(jìn)水流量降為0的小段時(shí)間內(nèi)，水庫水量曲線出現(xiàn)了明顯的向下波動(dòng)；而在每天的大約中午時(shí)分，進(jìn)水流量不變，出水量有一個(gè)向下的波動(dòng)。此時(shí)，可以看到水庫水量向上的趨勢(shì)有一個(gè)明顯的減緩，說明研究的水庫水量變化規(guī)律基本正確。

圖2 進(jìn)出水量及水庫原水量對(duì)比圖Fig.2 Comparison of Raw Water Inflow and Outflow and Reservoir Capacity

2.3 不同季節(jié)效果分析

不同季節(jié)的水量變化存在很大的差異，與流速直接相關(guān)的值dv波動(dòng)越大，對(duì)應(yīng)的效果就越差，由此不應(yīng)將流速看作一個(gè)固定值，而應(yīng)當(dāng)對(duì)其分別分析研究變化規(guī)律。選擇季節(jié)特征較為明顯的月份1月、4月、7月和10月作為研究對(duì)象。

圖3 4個(gè)月份進(jìn)出水及原水量變化對(duì)比圖Fig.3 Comparison of Water Inflow and Outflow and Reservoir Capacity during Four Months

同樣，分別對(duì)4個(gè)月份的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行參數(shù)擬合，由于計(jì)算了一個(gè)月的數(shù)據(jù)，此處并不是進(jìn)出水流速和水量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而是代表每一天總體的進(jìn)水量、出水量以及水庫水量的實(shí)際變化量。得到的進(jìn)水量，圖3為水庫水量變化與出水量對(duì)比圖。針對(duì)4個(gè)月的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行擬合得到的結(jié)果，可看出水庫進(jìn)出水量與總管流量直接影響水庫水量變化，存在一定的相關(guān)性。

2.4 閘門水位差與流速關(guān)系

由于閘門水位差會(huì)直接影響進(jìn)水水流速度，故對(duì)閘門水位差與流速的相關(guān)性進(jìn)行研究，現(xiàn)對(duì)其作斯皮爾曼相關(guān)性分析。相關(guān)性的強(qiáng)弱由sig值表示，該值越接近于0，則說明相關(guān)性越強(qiáng)，一般當(dāng)sig值小于0.05時(shí)，可認(rèn)為相關(guān)性顯著。分別對(duì)1月、4月、7月、10月的數(shù)據(jù)進(jìn)行dv值與閘門水位差的相關(guān)性分析，得到的相關(guān)系數(shù)的符號(hào)均為正，故判斷dv值與閘門水位差為正相關(guān)，如圖4所示。

圖4 4個(gè)月份預(yù)測(cè)dv值和水位差相關(guān)性分析Fig.4 Correlation Analysis of Predicted Water Inflow Velocity and Water level Difference during Four Months

2.5 水庫庫容曲線

由上一小節(jié)得知流速與水位差為正相關(guān)，又水庫庫容與液位值相關(guān)，則水庫水量變化公式可優(yōu)化為式(5)。

(5)

其中：S(h)——水庫庫容曲線函數(shù)；

v(Δf)——水位差流速關(guān)系函數(shù)；

Δf——取水閘門內(nèi)外水位差,m。

S(h)比v(Δf)更好求取，只要取關(guān)閘時(shí)的數(shù)據(jù)便可得到一系列連續(xù)的數(shù)據(jù)。而如果先求v(Δf)只能得到一系列間斷的點(diǎn)，易出現(xiàn)誤差，因此，先求取水庫庫容曲線。

由于測(cè)量?jī)x器的誤差以及水面的波動(dòng)，間隔時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致很大的誤差，則以1 h為間隔，選取全年關(guān)閘時(shí)段的數(shù)據(jù)擬合，剔除部分誤差數(shù)據(jù)后，得到水庫庫容曲線的導(dǎo)數(shù)函數(shù)如式(6)。

S(h)’=20.259h+155.45

(6)

以水庫運(yùn)營(yíng)方和監(jiān)測(cè)方給出的水庫庫容曲線的公共點(diǎn)作為基準(zhǔn)值，得到優(yōu)化后的水庫庫容曲線擬合如式(7)。

S(h)=10.129h2+155.45h+425.384

(7)

圖5為3方水庫庫容曲線比對(duì)圖，因?yàn)榍€擬合結(jié)果取自監(jiān)測(cè)水位數(shù)據(jù)，故有效水位為1.9～3.12 m?？梢钥吹?，擬合得到的水庫庫容曲線與水庫運(yùn)營(yíng)方給出的水庫庫容曲線基本重合，在中間某些值上略低于運(yùn)營(yíng)方曲線，而這兩者的值均要高于監(jiān)測(cè)方報(bào)告中的值，從而驗(yàn)證了擬合得到的水庫庫容曲線的準(zhǔn)確性。

圖5 3方水庫庫容曲線比對(duì)Fig.5 Comparison of Three-Way Curves for Reservoir Capacities

2.6 水位差流速曲線

由上一小節(jié)已經(jīng)求得了水庫庫容曲線，且所有時(shí)刻的水位差Δf已知，則水位差流速曲線可由此求得。以1 h為間隔取樣，對(duì)全年的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合得到結(jié)果如圖6所示，將橫縱坐標(biāo)調(diào)換后的二次項(xiàng)擬合得到擬合曲線。

圖6 水位差流速曲線擬合Fig.6 Velocity Curves Fitting of Water Level Differences

3 閘門調(diào)度方案與程序運(yùn)行結(jié)果

3.1 閘門調(diào)度開閘方案

以目前已有的人工閘門調(diào)度基本規(guī)律為基礎(chǔ)，確定閘門自動(dòng)調(diào)控的基本方針，先假定調(diào)度要求為8點(diǎn)開閘，開閘液位為2.0 m。如果在8點(diǎn)之前液位降達(dá)2.0 m，則提前開閘使8點(diǎn)液位剛好為2.0 m；如果8點(diǎn)的液位仍超過2.0 m，則推遲一定的時(shí)間開閘使得達(dá)到8點(diǎn)開閘同樣的效果。故閘門開閘調(diào)度存在兩種方案。

(1)開閘方案一

a時(shí)刻液位已經(jīng)到達(dá)2.0 m，此時(shí)與8點(diǎn)相隔(8-a) h，則為使8點(diǎn)的液位依舊為2.0 m，則從a時(shí)刻至8點(diǎn)的進(jìn)水量和出水量相同，出水量取平均總管流量86 662 m3/h，進(jìn)水量為86 662(8-a) m3，進(jìn)水流速v滿足式(8)。

Δf=0.057 3υ2+ 0.089 9υ-0.018

(8)

時(shí)長(zhǎng)較短液位差可近似認(rèn)為不變，則根據(jù)液位差可求得進(jìn)水流速v，則以進(jìn)水量86 662(8-a)除以進(jìn)水截面積S和進(jìn)水流速v可得需提前開閘的時(shí)長(zhǎng)b，則(8-b)時(shí)刻即為開閘的時(shí)間。

(2)開閘方案二

8點(diǎn)的液位超過了2.0 m，為xm，此時(shí)若將開閘的時(shí)間推遲ah，使得這ah的預(yù)測(cè)進(jìn)水量滿足式(9)。

J=10.129(x2-4)+155.45(x-2)

(9)

則可近似看作是8點(diǎn)時(shí)液位為2.0 m且8點(diǎn)開啟閘門。同樣，以預(yù)測(cè)進(jìn)水量除以進(jìn)水截面積S以及進(jìn)水流速v可得到推遲的時(shí)間a，則開閘時(shí)間為(8+a)時(shí)刻。

(3)關(guān)閘方案

關(guān)閘時(shí)間的確定由第2 d開閘的時(shí)間差確定，設(shè)關(guān)閘時(shí)間為a，實(shí)時(shí)水位為bm，則關(guān)閘時(shí)長(zhǎng)為(24+8-a) h，出水量滿足式(10)。

G=86 662(32-a)

(10)

a與b滿足關(guān)系式(11)。

8.666 2(32-a)=10.129(b2-4)+155.45(b-2)

(11)

當(dāng)a=0時(shí)即為關(guān)閘時(shí)間，若當(dāng)?shù)? d為施工作業(yè)時(shí)，為了保證第2 d 8點(diǎn)的液位低于2.0 m，則取指標(biāo)如式(12)。

a=10.129(b2-4)+155.45(b-2)

-8.666 2(24+7-a)

(12)

3.2 程序運(yùn)行結(jié)果示意

對(duì)2018年11月1日—5日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取其平均開閘液位和開閘時(shí)間作為假想的理想開閘時(shí)間和開閘液位，以平均開閘閘門截面積作為理想截面積，剔除檢查點(diǎn)某幾個(gè)過高或過低的之后的液位平均值作為該時(shí)刻的理想液位值，以某幾個(gè)過高或過低液位值偏離理想值的大小作為允許波動(dòng)范圍，其值如表1所示。

程序運(yùn)行后的結(jié)果示意和原調(diào)度方案以及液位如圖7所示。開度的值為經(jīng)過近似取整數(shù)處理后的值，僅反應(yīng)近似大小，無具體實(shí)際意義。新方案建議中的短時(shí)間急劇變化僅代表在此處建議增大或減小閘門開度，不代表實(shí)際變化。同時(shí)，新方案建議中僅考慮了開閘方案，關(guān)閘方案由于原定方案中的關(guān)閘后對(duì)液位變化產(chǎn)生了干擾，且與開閘方案不同，關(guān)閘方案是即時(shí)性的，所以不便進(jìn)行新方案判定，此處不予考慮。

表1 開閘數(shù)據(jù)分析Tab.1 Data Analysis While Water Intake Gate Opening

圖7 程序運(yùn)行結(jié)果Fig.7 Result of the Program Run

由圖7可知，假定的運(yùn)行結(jié)果給出的閘門調(diào)度建議和原方案大體相似。由于明確具體的計(jì)算在開閘時(shí)間上和原開閘方案略有出入，并在檢測(cè)到水庫水量過低或過高時(shí)提出了增大或減小閘門開度的建議，勢(shì)必會(huì)使水庫的液位變化更加平穩(wěn)，滿足供水要求也不會(huì)導(dǎo)致液位過高影響換水周期進(jìn)而影響水質(zhì)。

4 總結(jié)與展望

取水閘門在線優(yōu)化系統(tǒng)的完成對(duì)于完成整個(gè)水庫閘門控制系統(tǒng)的半閉環(huán)自動(dòng)化控制奠定了研究基礎(chǔ)。本文實(shí)現(xiàn)了取水閘門調(diào)度相關(guān)信息的預(yù)處理和分析，由此分析了水庫水量的變化規(guī)律，給出了水庫庫容曲線和液位差流速曲線，并由該兩條曲線對(duì)水庫水量的變化規(guī)律作出了更精確的描述，結(jié)合水庫水量變化方程與歷史調(diào)度規(guī)律計(jì)算得到優(yōu)化后的閘門調(diào)度指令。該工作的解決方案對(duì)于水庫閘門的調(diào)控有了更精確的把握，進(jìn)一步挖掘了水庫的供水潛能，使得水庫液位能夠更加平穩(wěn)、安全，也就使得水庫供水能力更加的穩(wěn)定。對(duì)于水庫換水周期的把握也能使得水庫里水質(zhì)常年維持在更加良好的狀態(tài)，這使得整個(gè)水庫供水地區(qū)人們的用水需求得到了一定的保證。同時(shí)，也對(duì)水庫的生態(tài)系統(tǒng)起到了一定的保護(hù)作用。在閘門調(diào)控的方案中，考慮了進(jìn)水流量過大對(duì)水庫基底的沖擊作用，以及進(jìn)水量過小導(dǎo)致水位在最低預(yù)警液位之下的隱患，這也使得對(duì)整個(gè)水庫以及供水調(diào)度起到了一定的緩沖保護(hù)作用。同時(shí)，因?yàn)樵谕砩蠈?duì)閘門的水位進(jìn)行了監(jiān)控，減小了工作人員的壓力，也增加了夜晚對(duì)突發(fā)事件的反應(yīng)能力，減小了危險(xiǎn)事故的發(fā)生率。雖然已經(jīng)基本完成了設(shè)計(jì)的目標(biāo)，但是本設(shè)計(jì)還存在著一些方面的不足。在之后的研究中，可以在調(diào)度方案的設(shè)計(jì)中將污染的因素考慮進(jìn)去。還對(duì)來水河道的液位進(jìn)行分析綜合考量來設(shè)計(jì)更為合理的調(diào)度方案，并考慮對(duì)分類為特殊情況的閘門時(shí)間序列進(jìn)行分析找到其共同特征規(guī)律，完善相關(guān)具體模塊以得到完整的可實(shí)際運(yùn)行的相關(guān)程序，為水閘的自動(dòng)化控制系統(tǒng)添磚加瓦。